(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面側に複数の凹部が設けられた基板と、
前記基板の凹部にめっき金属が充填されて形成された埋込配線部と、
前記埋込配線部に電気的に接続され、光出射部が上側を向いて配置された発光素子と、
前記基板の下面側に接続されたヒートシンクとを有し、
前記埋込配線部は第１埋込配線部と第２埋込配線部とを含み、前記発光素子は、下面に一方の電極及び他方の電極を有し、
前記一方の電極が前記第１埋込配線部に接続され、前記他方の電極が前記第２埋込配線部に接続され、
前記埋込配線部のトータルの面積は、発光素子の面積より大きく設定されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記埋込配線部の厚みは、その下の前記基板の厚みより厚く設定されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記基板はシリコン基板であり、前記凹部の内面に絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記基板は、窒化アルミニウムセラミックス、アルミナセラミックス又は絶縁樹脂からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記埋込配線部の厚みは、５０乃至３００μｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記基板の下面に熱伝導シートを介して前記ヒートシンクが直接装着されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記埋込配線部は、前記基板の上面から突出した状態で前記凹部に埋め込まれていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記埋込配線部は、シード層とその上の銅めっき層とから形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に係り、さらに詳しくは、発光素子などの発熱する半導体素子が実装される放熱性パッケージを有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発熱する発光素子を実装するための放熱性パッケージがある。そのような放熱性パッケージに関連する技術としては、特許文献１には、反射鏡／放熱体として機能する金属反射鏡が接合された金属ベース部の上に、サブマウントを介してＬＥＤ素子を実装することにより、ＬＥＤ素子からの熱を金属ベース部及び金属反射鏡に導いて放熱することが記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、セラミックス基板の上に設けられた回路パターンに金バンプによって発光素子を実装し、セラミックス基板の下に放熱板を設けることにより、発光素子からの熱を金バンプ及びセラミックス基板を経由して放熱板から外部に放出することが記載されている。
【特許文献１】特開２００５−１１６９９０号公報
【特許文献２】特開２００４−２０７３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、発熱の大きい半導体素子（例えばＬＥＤ）を実装する場合、特許文献２に記載されているようなセラミックス基板を熱拡散経路にして放熱部から外部に熱を放出する方式では、発熱に対しての絶縁基板での熱拡散が十分に追随できないことが多く、パッケージ全体の放熱性が十分に得られない問題がある。
【０００５】
本発明は以上の課題を鑑みて創作されたものであり、発熱の大きい半導体素子を実装する場合であっても十分な放熱性が得られる放熱性パッケーを有する半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明は半導体装置に係り、上面側に複数の凹部が設けられた基板と、前記基板の凹部にめっき金属が充填されて形成された埋込配線部と、前記埋込配線部に電気的に接続され、光出射部が上側を向いて配置された発光素子と、前記基板の下面側に接続されたヒートシンクとを有し、前記埋込配線部は第１埋込配線部と第２埋込配線部とを含み、前記発光素子は、下面に一方の電極及び他方の電極を有し、前記一方の電極が前記第１埋込配線部に接続され、前記他方の電極が前記第２埋込配線部に接続され、前記埋込配線部のトータルの面積は、発光素子の面積より大きく設定されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明の放熱性パッケージでは、発熱する半導体素子（発光素子など）が実装される配線基板として、基板の凹部内に厚みの厚い埋込配線部を充填して構成している。埋込配線部１４は銅などの熱伝導率の高い（４００Ｗ／ｍＫ）金属から形成される。
【０００８】
これにより、配線基板の厚み方向に注目すると、その上側の主要部が熱伝導率の高い埋込配線部から形成され、その下に支持板としての基板が残存した構成となっている。また、埋込配線部同士の間に基板が介在するようにしている。
【０００９】
本発明では、埋込配線部は半導体素子を実装するための配線層として使用されるばかりではなく、ヒートシンクに熱をスムーズに拡散するための熱拡散部として機能する。従って、全体にわたって板状の絶縁基板の上に配線層を形成する場合よりも、配線基板の全体の熱伝導性を格段に向上させることができる。
【００１０】
これにより、発熱が大きい発光素子を実装する場合であっても、熱が埋込配線部から基板を介してヒートシンク側にスムーズに拡散されて、ヒートシンクから外部に熱が放出される。これにより、発熱する半導体素子を冷却して所定の温度に保つことができ、熱による半導体素子の誤動作や破壊を防止することができる。
【００１１】
基板としては、微細な埋込配線部を得る場合は、シリコン基板を使用することが好ましいが、窒化アルミニウムセラミックス、アルミナセラミックス又は絶縁樹脂を使用してもよい。
【００１２】
また、本発明の好適な態様では、熱をよりスムーズに拡散させるために、埋込配線部の面積が、実装される半導体素子の面積より大きく（例えば２倍程度）設定される。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明では、発熱の大きい半導体素子を実装する場合であっても十分な放熱性が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００１５】
本発明の実施形態の放熱性パッケージを説明する前に、関連技術の放熱性パッケージの問題点について説明する。図１は関連技術の放熱性パッケージを示す断面図である。
【００１６】
図１に示すように、関連技術の放熱性パッケージ３では、絶縁基板１００の上に配線層１２０が設けられている。絶縁基板１００は、絶縁樹脂、アルミナセラミックス又は窒化アルミニウムセラミックスから形成される。絶縁基板１００上の配線層１２０には発光素子２００（ＬＥＤなど）のバンプ２２０が接続されて実装される。絶縁基板１００の下には、熱伝導シート３００を介して複数のフィン４２０を備えたヒートシンク４００が設けられている。ヒートシンク４００は、銅やアルミニウムから形成される。
【００１７】
関連技術の放熱性パッケージ３では、発光素子２００から発する熱は、絶縁基板１００を熱拡散経路としてヒートシンク４００に熱が伝導されて外部に放出される。
【００１８】
ここで、関連技術の放熱性パッケージ３の絶縁基板１００とヒートシンク４００の熱伝導率を比較してみる。絶縁基板１００を絶縁樹脂から形成する場合、その熱伝導率は１Ｗ／ｍＫである。また、絶縁基板１００をアルミナセラミックスから形成する場合、その熱伝導率は数十（１０〜３０）Ｗ／ｍＫである。あるいは、絶縁基板１００を窒化アルミニウムセラミックスから形成する場合、その熱伝導率は１７０Ｗ／ｍＫである。
【００１９】
これに対して、ヒートシンク４００を銅から形成する場合、その熱伝導率は４００Ｗ／ｍＫであることを考慮すると、ヒートシンク４００に比較して絶縁基板１００の熱伝導性はかなり劣ることになる。
【００２０】
このため、発光素子２００から発する熱は、絶縁基板１００を拡散する際に十分に拡散されず、スムーズにヒートシンク４００側に熱が伝導されない。このように、関連技術の放熱性パッケージ３では、パッケージ内の熱拡散経路に熱伝導率が金属に比べて低い絶縁基板１００が介在するので、特に発熱の大きいＬＥＤなどを実装する際に絶縁基板１００の影響によって十分な放熱性が得られない問題がある。
【００２１】
以下に説明する本実施形態の放熱性パッケージはそのような問題を解消することができる。次に、本発明の実施形態の放熱性パッケージについて説明する。
【００２２】
図２は本発明の実施形態の放熱性パッケージを示す断面図、図３は図２を上方向からみた平面図である。図２に示すように、本実施形態の放熱性パッケージ１では、シリコン基板１０の上面側に複数の凹部Ｃ（ザグリ）が設けられている。
【００２３】
シリコン基板１０の凹部Ｃの内面を含む上面にはシリコン酸化層からなる絶縁層１２が形成されている。各凹部Ｃ内には銅などからなる埋込配線部１４がそれぞれ充填されており、埋込配線部１４とシリコン基板１０とが絶縁層１２によって電気的に絶縁されている。シリコン基板１０と埋込配線部１４とにより配線基板５が構成される。
【００２４】
図２の例では、シリコン基板１０に設けられた３つの凹部Ｃに第１、第２、第３埋込配線部１４ａ，１４ｂ、１４ｃがそれぞれ充填されている。また、図２の例のように埋込配線部１４の上面がシリコン基板１０上の絶縁層１２の上面から突出していてもよいし、あるいは、埋込配線部１４の上面がシリコン基板１０上の絶縁層１２の上面と同じ高さ（同一面）になって平坦化されていてもよい。
【００２５】
シリコン基板１０の厚みは２００〜７００μｍに設定され、埋込配線部１４の厚みは５０〜３００μｍに設定される。シリコン基板１０の凹部Ｃの深さは埋込配線部１４の厚みを考慮して決定され、埋込配線部１４の厚みと同等かそれより浅く設定される。
【００２６】
後述するように、埋込配線部１４及びシリコン基板１０は下側に向けて熱拡散経路となる。埋込配線部１４（銅の場合）の熱伝導率は４００Ｗ／ｍＫであり、シリコン基板１０の熱伝導率はそれよりも低い１４０Ｗ／ｍＫである。従って、熱をよりスムーズに下側に拡散するためには、埋込配線部１４の厚みはその下のシリコン基板１０の厚みより厚く設定される。
【００２７】
さらに、シリコン基板１０の下面には、銀（Ａｇ）フィラーを分散するなどして熱伝導性を高くした熱伝導シート１６が設けられている。熱伝導シート１６の下には銅やアルミニウムなどからなるヒートシンク３０（放熱部）が設けられている。ヒートシンク３０は基体部３０ａとそこから下側に突出する複数のフィン３０ｂとにより構成される。
【００２８】
ヒートシンク３０はシリコン基板１０よりも大きな面積で設けられており、シリコン基板１０の周縁から外側に延在するはみ出し部Ｐが設けられている。ヒートシンク３０は、フィン３０ｂによってその表面積を増やすことで空気の流れによる冷却効果を増大させている。
【００２９】
ヒートシンク３０は、図２の例のようにシリコン基板１０の下面に熱伝導シート１６を介して直接装着してもよいし、シリコン基板１０の下面から外部に熱伝導率の高い薄膜型のシート状ヒートパイプを延在させ、その端部にヒートシンク３０を装着してもよい。
【００３０】
このように、本実施形態の放熱性パッケージ１は、シリコン基板１０及びその凹部Ｃに充填された埋込配線部１４により構成される配線基板５と、シリコン基板１０の下に設けられた熱伝導シート１６と、その下に設けられたヒートシンク３０とから基本構成される。
【００３１】
さらに、埋込配線部１４に第１発光素子２０及び第２発光素子２２の金バンプなどの各接続端子２０ａ，２２ａがそれぞれ接続されて実装されている。あるいは、埋込配線部１４に設けられた接続端子２０ａ，２２ａの上に第１、第２発光素子２０，２２の接続電極が接続されていてもよい。
【００３２】
第１、第２発光素子２０，２２はプラス（＋）電極とマイナス（−）電極を備えている。第１発光素子２０は、外部回路のプラス（＋）端子が接続される第１埋込配線部１４ａにそのプラス（＋）電極が接続され、第２埋込配線部１４ｂにそのマイナス（−）電極が接続される。また、第２発光素子２２は、外部回路のマイナス（−）端子が接続される第３埋込配線部１４ｃにそのマイナス（−）電極が接続され、第２埋込配線部１４ｂにそのプラス（＋）電極が接続される。
【００３３】
このように、第１発光素子２０と第２発光素子２２とは電気的に直列に接続されて実装される。そして、第１、第２発光素子２０，２２は、その光出射部Ｌが上側を向いて実装されており、これによって上側に光が放出されるようになっている。
【００３４】
以上のように、放熱性パッケージ１の埋込配線部１４に第１、第２発光素子２０，２２が実装されて本実施形態の半導体装置２が構成される。
【００３５】
本実施形態の半導体装置２では、第１、第２発光素子２０，２２が接続される配線（電極）として、厚みが厚く体積が大きな埋込配線部１４をシリコン基板１０の凹部Ｃ内に充填して形成している。埋込配線部１４は熱伝導率の高い銅（４００Ｗ／ｍＫ）などから形成される。
【００３６】
つまり、配線基板５の厚み方向に注目すると、その上側の主要部が熱伝導率の高い埋込配線部１４から形成され、その下に支持板としてのシリコン基板１０が残存した構成となっている。また、シリコン基板１０に凹部Ｃを設けることで、埋込配線部１４同士の間にシリコン基板１０が介在するようにしている。
【００３７】
さらに、図３（平面図）を加えて参照すると、第１〜第３埋込配線部１４ａ〜１４ｃはそれぞれ四角状に設けられており、それらのトータルの面積は第１、第２発光素子２０，２２のトータル面積より大きく（例えば２倍〜５倍）設定される。
【００３８】
このように、本実施形態では、埋込配線部１４は発光素子２０，２２を実装するための配線（電極）として使用されるばかりではなく、ヒートシンク３０に熱をスムーズに拡散するための熱拡散部として機能する。
【００３９】
シリコン基板１０の熱伝導率（１４０Ｗ／ｍＫ）は埋込配線部１４（銅）の熱伝導率（４００Ｗ／ｍＫ）よりは低いが、凹部Ｃを設けることにより埋込配線部１４とヒートシンク３０との間には支持板として機能できる最低限の厚みのシリコン基板１０が残存するように設定することができる。従って、関連技術のような全体にわたって板状の絶縁基板１００の上に配線層１２０を形成する場合よりも、配線基板５（シリコン基板１０と埋込配線部１４）の全体の熱伝導性を格段に向上させることができる。
【００４０】
このように構成される放熱性パッケージ１では、第１、第２発光素子２０，２２から発する熱は、まず、接続端子２０ａ，２２ａ（金バンプ）を経由して埋込配線部１４に拡散する。このとき、埋込配線部１４は、熱伝導率の高い銅などからなり、かつその厚みが厚く面積（体積）が大きいことから、第１、第２発光素子２０，２２からの熱はスムーズに埋込配線部１４を拡散する。さらに、その埋込配線部１４を伝導した熱はシリコン基板１０に拡散する。
【００４１】
このとき、埋込配線部１４同士の間にはシリコン基板１０が存在するので、埋込配線部１４を通過する熱はその下方向のシリコン基板１０だけではなく横方向のシリコン基板１０にも拡散して効率よく熱拡散する。シリコン基板１０は凹部Ｃが設けられることでその凹部Ｃの底面部分の実質的な厚みがかなり薄くなっているので、熱が滞留することなく熱伝導シート１６側にスムーズに拡散する。さらに、熱伝導シート１６を拡散した熱は、ヒートシンク３０に拡散してそこから外部に放出される。
【００４２】
本実施形態の半導体装置２では、発熱が大きいＬＥＤなどの発光素子を実装する場合であっても、その下に熱伝導性の高い熱拡散部として機能する埋込配線部１４を設けられていることから、発光素子２０，２２を十分に冷却することができるので、発熱による誤動作や破壊が防止されて信頼性を向上させることができる。
【００４３】
なお、ヒートシンク３０の下側に電動ファンを設けて強制的に空冷することにより、さらに冷却能力を向上させることも可能である。
【００４４】
図４には、本実施形態の変形例の半導体装置２ａが示されている。変形例の半導体装置２ａの放熱性パッケージ１ａでは、シリコン基板１０の代わりに、絶縁基板１０ａが使用され、その上面側に複数の凹部Ｃが設けられている。そして、絶縁基板１０ａの凹部Ｃに同様な埋込配線部１４が充填されている。
【００４５】
絶縁基板１０ａの材料としては、窒化アルミニウムセラミックス（熱伝導率：１７０Ｗ／ｍＫ）、アルミナセラミックス（熱伝導率：数十Ｗ／ｍＫ）又は絶縁樹脂（熱伝導率：１Ｗ／ｍＫ）などが使用される。より発熱しやすい半導体素子を実装する場合は、絶縁基板１０ａとして、熱伝導率の高い窒化アルミニウムセラミックスを使用することが好ましい。
【００４６】
絶縁基板１０ａを使用する場合は、前述した図２の絶縁層１２が省略される。その他の要素は図２の半導体装置２と同一であるので、同一符号を付してその説明を省略する。
【００４７】
変形例の半導体装置２ａは図２の半導体装置２と同様な効果を奏する。
【００４８】
なお、本実施形態では、発熱する半導体素子として、発光素子（ＬＥＤなど）を例示したが、ＣＰＵデバイスなどの各種の発熱する半導体素子（ＬＳＩチップ）の放熱性パッケージとして有効に使用することができる。
【００４９】
次に、前述した図２の放熱性パッケージ１の配線基板５の製造方法について説明する。図５（ａ）に示すように、まず、厚みが７００μｍ程度のウェハ状のシリコン基板１０を用意し、その上に開口部１１ｘが設けられたレジストなどのマスク層１１を形成する。マスク層１１の開口部１１ｘは、前述したシリコン基板１０の凹部Ｃに対応して配置される。
【００５０】
次いで、マスク層１１の開口部１１ｘを通してドライエッチングによってシリコン基板１０をその厚みの途中までエッチングする。その後に、マスク層１１が除去される。
【００５１】
これにより、図５（ｂ）に示すように、シリコン基板１０に複数の凹部Ｃが形成される。
【００５２】
続いて、図５（ｃ）に示すように、シリコン基板１０を熱酸化することにより、シリコン基板１０の凹部Ｃの内面を含む上面及び下面にシリコン酸化層を形成して絶縁層１２を得る。なお、ＣＶＤ法によってシリコン基板１０の上面側又は両面側にシリコン酸化層を成膜して絶縁層１２としてもよい。
【００５３】
次いで、図５（ｄ）に示すように、スパッタ法により、シリコン基板の凹部Ｃの内面を含む上面側に銅などのシード層１４ａを形成する。さらに、図６（ａ）に示すように、シリコン基板１０の凹部Ｃに対応する部分に開口部１３ｘが設けられためっきレジスト１３をシード層１４ａの上に形成する。
【００５４】
続いて、図６（ｂ）に示すように、シード層１４ａをめっき給電経路に利用する電解めきにより、めっきレジスト１３の開口部１３ｘに銅などの金属めっき層１４ｂを形成する。金属めっき層１４ｂはめっきレジスト１３の上面から突出して形成される。さらに、図６（ｃ）に示すように、金属めっき層１４ａとめっきレジスト１３をＣＭＰにより研磨して平坦化する共に、金属めっき層１４ａの高さを所要の高さに調整する。
【００５５】
次いで、図６（ｄ）に示すように、めっきレジスト１３を除去した後に、金属めっき層１４ｂをマスクにしてシード層１４ａをエッチングすることにより、シード層１４ａと金属めっき層１４ｂとから構成される埋込配線部１４を得る。さらに、シリコン基板１０の背面側をグラインダによって研削することにより、所要の厚みに調整する。続いて、個々の配線基板５が得られるようにシリコン基板１０を切断して分割する。その後に、配線基板５の下面に熱伝導性シート１６を介してヒートシンク３０を装着させる。
【００５６】
シリコン基板１０はウェハプロセス（フォトリソグラフィ及びドライエッチングなど）によって微細加工が可能であるので、セラミックスや絶縁樹脂を基板として使用する場合よりも埋込配線部１４の微細化が可能になる。従って、図２で示したパッド状の埋込配線部１４ばかりではなく、埋込配線部１４を微細配線として狭ピッチで引き回すことも可能である。これによって、より高性能な半導体素子の実装基板（放熱性パッケージ）として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図１は関連技術の放熱性パッケージの製造方法を示す断面図である。
【図２】図２は本発明の実施形態の半導体装置（放熱性パッケージ）を示す断面図である。
【図３】図３は図２の半導体装置を上側からみた平面図である。
【図４】図４は本発明の実施形態の変形例の半導体装置（放熱性パッケージ）を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施形態の放熱性パッケージの配線基板の製造方法を示す断面図（その１）である。
【図６】図６（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施形態の放熱性パッケージの配線基板の製造方法を示す断面図（その２）である。
【符号の説明】
【００５８】
１，１ａ…放熱性パッケージ、２，２ａ…半導体装置、１０…シリコン基板、１０ａ…絶縁基板、１１…マスク層、１１ｘ，１３ｘ…開口部、１２…絶縁層、１３…めっきレジスト、１４，１４ａ〜１４ｃ…埋込配線部、１６…熱伝導性シート、２０…第１発光素子、２２…第２発光素子、２０ａ，２２ａ…接続端子、３０…ヒートシンク、３０ａ…基体部、３０ｂ…フィン、Ｃ…凹部、Ｐ…はみ出し部、Ｌ…光出射部。
【図１】
0005188120.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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